저궤도 위성통신 단말용 위상배열 안테나 시스템 기술 동향

저궤도 위성통신 기술은 개인, 공공, 산업 분야에 다양하게 활용되어 국민 삶의 질 개선, 공공 안전 기능 향상, 산업 경쟁력 향상을 도모할 수 있는 핵심 R&D 사업으로서 현재의 정지궤도 위성통신 서비스보다 큰 사회적 효과가 기대된다[6]. 저궤도 위성통신 네트워크는 그림 1과 같이 크게 통신 분야와 우주 분야로 구성된다. 통신 분야는 저궤도 통신위성에 탑재돼 통신위성 간, 위성과 지상시스템 간 통신 임무를 담당하는 통신탑재체, 저궤도 통신위성과 피더링크 신호 송수신, 위성의 통신 임무 수행제어 및 군집 위성통신 기능, 성능 검증 등의 역할을 하는 지상국(중심국, 관제국), 통신위성과 사용자 간 통신링크를 제공하는 단말국으로 구성된다. 우주 분야는 발사 및 우주 환경에서 통신탑재체를 보호하고 위성의 임무수행을 위한 자세제어, 전력 공급 등 통신탑재체의 운영환경을 제공하는 역할을 담당하는 본체, 위성통신 시스템 개발을 위한 임무 정의부터 시스템 운영에 이르는 개발 전 과정의 시스템 설계, 해석과 통합 업무를 담당하는 위성 체계종합으로 구성된다[7].

그림 1

저궤도 위성통신 네트워크 구성

출처 Reproduced from 정보통신기획평가원, “2022년 한국전자파학회 하계종합학술대회 기조강연: 전파위성분야 신규기획 현황 및 향후 기획 방향,” 2022. 8. 17.

저궤도 위성통신 단말국은 그림 2와 같이 셋톱박스형 단말국과 개인휴대형 단말국으로 분류되는데, 여기서는 주로 셋톱박스형 단말국에 대해서 기술한다. 저궤도 위성통신 단말국은 표준기반으로 베이스밴드 신호처리를 위한 모뎀, 소프트웨어와 비표준 기반 핵심기술인 위상배열 안테나, 단말 RF 송수신 부품으로 구성된다.

그림 2

저궤도 위성통신 단말국 구성도

비표준 기반 핵심기술인 위상배열 안테나, 단말 RF 송수신 부품으로 구성되는 위상배열 안테나 시스템은 평판형 방사소자를 격자로 배열하여 상하, 좌우 빔 조향이 가능하도록 설계한다. 저궤도 위성통신 단말국은 송신, 수신 주파수가 상이하면서 송수신이 동시에 전송 가능한 FDD(Frequency Division Duplex) 시스템이다. 송신 위상배열 안테나 시스템은 Ku-대역, Ka-대역이 주로 활용되며 송신 위상배열 안테나, 다채널 송신용 빔포머 IC, IF 송신기, LO 모듈로 구성된다(그림 3 참고). 수신 위상배열 안테나 시스템은 그림 4와 같이 X-대역, K-대역이 활용되며 수신 위상배열 안테나, 다채널 수신용 빔포머 IC, IF 수신기, LO 모듈로 구성된다. 다채널 수신용 빔포머 IC는 위성 간의 Handover를 위해서 아날로그 멀티빔 기능을 지원하는 부품이 출시되고 있다.

그림 4

수신 위상배열 안테나 시스템 구성도

그림 3

송신 위상배열 안테나 시스템 구성도

송신 위상배열 안테나 시스템에서는 배열 안테나를 구성하는 방사소자의 이득, 배열 안테나 전체의 이득과 송신용 빔포머 IC의 출력전력이 단말국 송신부의 주요한 규격인 EIRP(Effective Isotropically Radiated Power)를 도출하여 단말국에서 보내는 신호가 위성탑재체에 도달하는 도달거리를 결정한다. 또한, 수백 개의 안테나 방사소자와 연결되는 전력 증폭기가 합해져서 매우 큰 출력전력이 나오므로 고출력을 발생시키기 위한 열발생 문제가 배열 안테나 시스템의 주요한 문제이므로 전력소모를 줄이기 위한 고효율 송신 시스템 설계가 매우 중요하다. 수신 위상배열 안테나 시스템은 수신 배열 안테나 전체의 이득과 수신용 빔포머 IC의 잡음지수가 단말국 수신부의 주요 규격인 G/T(Gain Over Temperature)를 도출하여 위성탑재체에서 단말국으로 전송되는 신호의 품질을 결정한다.

상향링크의 링크버짓을 표 2에 제시하였다. 송신 주파수를 Ka-대역, 단말국을 송신부로 위성탑재체를 수신부로 하는 경로를 설정하고, 저궤도 위성의 고도인 888km를 가정하여 도출한 결과이다.

하향링크의 링크버짓을 표 3에 제시하였다. 수신 주파수를 K-대역, 위성탑재체를 송신부로 단말국을 수신부로 하는 경로를 설정하고, 저궤도 위성의 고도인 888km를 가정하여 도출한 결과이다.

가. 위상배열 안테나 기술 동향

미국의 UCSD(University of California at San Diego)에서는 송신용 Ku-대역 위상배열 안테나를 보고하였다. 송신기를 구성하기 위하여 1,024개의 방사소자를 이용하여 256개의 부배열 안테나를 구성하였다. 즉 4개의 방사소자를 1개의 부배열 안테나로 구성하여 위상배열 안테나를 설계, 제작하였다. 14.4GHz를 중심주파수로 하여 0.5λ 간격으로 동일한 길이의 삼각형 형태로 방사소자를 배치하였으며, 전체 안테나 크기는 가로 33.2cm, 세로 28.9cm이다. 14GHz에서 3dB 빔폭은 3.6°, elevation scan은 150°, azimuth scan은 150°, 출력 P1dB 지점에서의 EIRP는 44dBW의 특성을 나타낸다[9].

이탈리아의 University of Perugia에서는 Ku-대역 슬롯 도파관 위상배열 안테나를 보고하였다. 그림 5와 같이 32×10 배열의 도파관 안테나를 제작, 시험하였다. 수신 안테나의 경우 16개 빔 조절이 가능하고, elevation scan은 15~55° 범위이고, 송신 안테나의 경우 7개 빔 조절이 가능하고, elevation scan은 15~55° 범위이다[10].

그림 5

32×10 슬롯 도파관 배열 안테나

출처 Reproduced from R. V. Gatti et al., “Flat array antenna for Ku-band mobile satellite terminals,” in Proc. 5^th Eur. Conf. Antenna Propag.-ation(EuCAP), (Rome, Italy), 2011. doi: 10.1155/2009/836074

Ka-대역에서도 다양한 위상배열 안테나 기술이 보고되었다. 중국의 SCUT(South China University of Technology)에서는 K/Ka-대역 원형 편파 위상배열 안테나를 보고하였다. SCUT에서는 27.5GHz에서 0.5λ 간격으로 4×4 배열 안테나를 제작, 시험하였으며, 비대칭 방사 패치와 비대칭 교차 슬롯이라는 두 가지 기술을 결합하여 원형편파 축비 대역폭 23%를 달성하였다. 제작된 4×4 위상배열 안테나는 22.5GHz, 27.5GHz, 32.5GHz에서 각각 ±56°, ±45°, ±41°의 넓은 스캔 범위를 제공하며, 스캔 손실이 3dB 미만으로 유지된다. 위상배열 안테나가 K-대역(22.5~27.5GHz) 및 Ka-대역(27.5~32.5GHz)을 포함한 원형 편파 위성 통신 단말기 응용에 적합하다[11].

캐나다의 University of Waterloo에서는 Ka-대역 위성 단말용 원형 편파 송신 위상배열 안테나를 보고하였다. Waterloo 대학에서는 4×16 배열의 64개 안테나 방사소자와 8개의 8채널 MMIC 회로를 제작하여 Near Field 측정 시스템을 구성한 후 안테나 성능을 시험하였다. 배열 안테나는 세 개의 금속 층으로 설계되었으며, 광범위한 조향 각도를 가진 모듈형 및 확장 가능한 Ka-대역 위상배열 안테나의 개념 증명을 위해 저비용 인쇄회로기판(PCB) 기술로 제작되었다. 측정된 방사 패턴은 축비 수준 < 3dB와 0°에서 ±40° 스캔 각도 범위 내에서 포인팅 오차 ≤ 1.5°를 갖는 우측 원형 편파 패턴을 보여준다. 원형편파 능동 위상배열 안테나의 진폭 입력은 주축 방향에서 부엽 레벨을 11dB에서 25dB까지 제어하고 감소시키기 위해 지수적으로 테이퍼링되었다. 다중빔 배열 구현을 위해 −30° 및 +20° 스캔 각도에서 두 개의 RHCP 빔이 동시에 생성되었다[12].

나. 위상배열 안테나 산업 동향

해외 주요국은 위성 단말용 Ku-대역과 Ka-대역의 위상배열 안테나 제작을 진행하고 있다.

스페이스X사는 Ku-대역의 59.4×38.3cm 크기의 접시형 단말기를 제작하였고, 시스템 내부에 위상배열 안테나를 설계하였다. 스페이스X사의 단말기에는 WiFi 라우터, 전원, 케이블, 삼각대 등이 포함되어 있으며, 제품으로 판매 중에 있다[13]. SatixFy사는 256개의 배열 소자를 갖는 Ku-대역(Rx: 11~12GHz, Tx: 13.75~14.5GHz) 저궤도 위성통신용 위상배열 안테나를 개발 완료하였다. 32개의 방사소자에 True Time Delay 기술을 적용하여 디지털 빔포머칩을 개발하였으며, 2Tbps급의 데이터를 처리하고, 이를 이용하여 전자적 빔조향이 가능하도록 구현하였다. 개발된 디지털 빔포머칩은 4개의 안테나 요소를 위한 상/하향 변환기와 저잡음 증폭기/고출력 증폭기를 포함한 Ku-대역 RF 집적회로 제품으로, 모든 편파를 지원한다. 이 안테나는 다중 편파에서 여러 빔을 동시에 지향, 추적 및 관리할 수 있다. 디지털 빔 포밍 기술을 사용하여 많은 수의 안테나 요소를 통해 넓은 대역폭을 처리할 수 있으며 빔 스퀸트 현상이 발생하지 않는다. 특별한 디지털 기능 구현으로 특정 간섭원을 향해 널(null)을 지향할 수 있다[14].

Kymeta사는 메타물질 기반으로 전자적으로 조향되는 평면 위상배열 안테나를 Ku-대역(Rx: 10.7~12.75GHz, Tx: 13.75~14.5GHz) 위성통신 용도로 개발하였다[15]. Ball Aerospace사에서는 항공기 단말용으로 Ku-대역/Ka-대역의 전자적 빔조향 위상배열 안테나를 개발하였다[16]. 국내 기업인 인텔리안테크사에서는 능동 전자 빔조향이 가능하며, 지상 고정형, 해상용, 지상 이동형에 적용 가능한 평판형 위상배열 안테나를 개발하였다. 특히, 지상 이동형에 적용하는 저궤도 위성통신 단말기는 G/T가 9dB/K, EIRP가 36.6dBW의 성능으로 환경시험 온도 –40~55°C까지 시험을 완료하였다. 실외 지상 이동형 단말기의 크기는 가로 56cm, 세로 45cm, 두께 12cm로 제작되었다[17].

가. 저궤도 위성통신 단말용 빔포밍칩 기술 동향

중국의 University of Southeast에서는 위성통신 단말 수신용 K-대역 8채널 빔포밍칩을 설계, 제작하였다. GaAs 공정의 저잡음증폭기와 CMOS 공정의 8채널 빔포밍칩을 하나의 패키지 내에 통합하여 구성하였다. 패키지는 웨이퍼 레벨 칩스케일로 구현하여 소형화 하였다. GaAs 공정의 저잡음증폭기를 추가로 설계하여 수신부의 잡음지수 성능을 향상시켰다. 이득 및 위상 조정 블록의 전력 소모를 줄이기 위해 수동적인 위상 천이기와 감쇄기를 채택하였다. 17.7~20.2 GHz 위성통신 대역에서, 제안된 하이브리드 패키징 위상 배열 수신 집적회로는 채널당 30.2mW의 전력만 소비하며, −40°C에서 85°C 범위에서 1.2dB이하 이득 변화 및 0.9dB이하 잡음지수 변화를 달성한다[18].

중국의 University of Zhejiang에서는 Ka-대역 8채널, 아날로그 4개 빔을 지원하는 위성통신 단말용 수신 빔포밍칩을 제작하였다. 저가의 CMOS 공정을 활용하였고, 최소 잡음지수 3.7dB 특성의 칩을 구현하였다. 다중 빔 형성으로 인해 발생하는 큰 면적 설계 문제를 해결하기 위해, 이 수신기는 디지털 보조 가변 이득 위상 변환 기술과 능동 결합 방식을 활용하여 소형 구현을 가능하게 하고 배열 설계를 용이하게 한다. 수신기는 6비트 해상도로 360°의 위상 변환 범위와 0.5dB 단위의 25dB 감쇠 범위를 달성한다. 29.5GHz에서 측정된 RMS 위상 및 진폭 오차는 각각 1.1°와 0.11dB의 특성을 나타낸다[19].

미국의 University of Washington State에서는 Ku-대역 8채널 송신/수신 빔포밍칩을 개발하여 보고하였다. 0.18µm SiGe BiCMOS 공정을 활용하여 서로 다른 다이 내에 송신과 수신 기능을 하는 빔포밍칩을 구현하였다. 칩 내부에 이득과 위상을 조절하는 제어회로, 4채널을 하나로 결합하는 결합기를 구현하였다. 수신칩의 크기는 2.4×4.8mm이고, 송신칩의 크기는 2.4×4.8mm로 각각 제작되었다[20].

캐나다의 University of Waterloo에서는 Ka-대역 8채널 송신 빔포밍칩을 130nm SiGe BiCMOS 공정을 이용하여 개발하였다. 전체 칩의 배치는 왼쪽에 RF 입력을 오른쪽에 RF 8채널 출력을 배치하였으며, 아래쪽에는 Digital Interface를 CMOS로 구현하였다. 7bit의 제어기능을 보유하면서 360° 조절이 가능한 위상천이기를 구현하였고, 23dB 이득, 10.8dBm의 출력 P1dB 특성을 나타낸다. 400MHz 채널 대역, 64QAM 변조 신호를 이용하여 측정하면 –28dB의 EVM 특성을 보인다[21].

대한민국의 ETRI에서는 0.18µm GaAs pHEMT 공정을 이용하여 K-대역의 4채널 수신 빔포밍칩과 Ka-대역의 4채널 송신 빔포밍칩을 각각 개발하였다. 저궤도 위성통신 단말기는 송신, 수신 주파수가 상이한 FDD 시스템을 활용하므로 그림 6과 같이 좌측에 송신칩, 우측에 수신칩을 별도로 제작하였다. 수신부의 잡음지수가 2dB로 매우 낮은 잡음지수를 갖는 칩을 설계하였다[22].

나. 저궤도 위성통신 단말용 빔포밍칩 산업 동향

그림 6

4채널 GaAs 빔포밍칩: (a) 수신칩, (b) 송신칩

출처 Reprinted from J.-C. Jeong et al., “Four-channel GaAs multifunction chips with bottom RF interface for Ka-band SATCOM antenna,” ETRI J., vol. 46, no. 2, 2024, pp. 323-332.

세계 여러 기업에서는 뉴스페이스 시대에 저궤도 위성통신 단말기의 기술 및 시장 선점을 위해 단말기의 핵심부품인 빔포밍칩 개발에 박차를 가하고 있다. Anokiwave사의 Ka-대역 송/수신 빔포밍칩 1차 버전은 잡음지수 3.4dB, 출력전력 12dBm, 5bit 위상 및 이득 가변으로 송/수신 각각 4채널로 개발되었다. 또한, 성능을 높인 2차 버전칩은 송/수신 각각 8채널로 구성되었으며, 출력전력 8dBm, 6bit 위상가변, 5bit 이득가변이 되도록 구현하였다[23].

Analog Device사는 K-대역 8채널, 2빔, 6bit 위상 가변 수신 빔포밍 칩과 Ka-대역 8채널, 1빔, 6bit 위상 가변 송신 빔포밍 칩을 개발하였다. 수신 빔포밍칩은 잡음지수 2dB 특성을 나타내고 메모리에는 256개의 빔조향 값들을 저장하여 빔조향 속도를 빠르게 할 수 있도록 구성하였다. 칩 내부에 8 Programmable Amplifier Bias Settings, Temperature Sensor, 4-wire SPI 등의 제어회로도 내장하였다. 송신 빔포밍칩은 이중 편파 지원이 가능하도록 8채널로 구성하였고, 칩 크기를 줄이고자 136-ball 5×5mm WLCSP(Wafer Level Chip Scale Package)로 제작하였다[24].

Renesas사는 K-대역 16채널, 2빔 수신 빔포밍칩을 개발하였다. 6bit 위상가변이 가능하고, 0.45dB 간격으로 26dB 이득제어를 하고, 채널당 28dB 이득을 갖도록 구현하였다. Ka-대역 송신 빔포밍칩은 8채널, 6bit 위상 가변, 채널당 출력전력 11dBm, 0.2dB 간격으로 25dB 이득제어가 가능하도록 제작되었다[25].

SatixFy사는 다중빔이 가능하고, 전자적으로 빔조향이 가능한 디지털 빔포머 ASIC을 개발하였다. True Time Delay(TTD) 방식을 적용하였고, 8GHz까지의 대역폭을 지원하며, 32개의 RF 포트가 있고, Ka-대역까지 지원한다[26].